淺析航空復合材料件工裝模具技術現狀及進展

姚嵐 鐘山

摘 要：復合材料是一種先進的新興材料，在航空領域的運用十分的廣泛，復合材料的使用讓航空事業有了長遠的發展。本文闡述航空復合材料件工裝模具技術的現狀及進展，通過結合對航空復合材料件工裝模具的具體特點和主要研究方向進行了探討，研究其生產技術的要點，為解決航空事業的制造難題提出了相應的建議。

關鍵字：航空；復合材料；工裝模具技術現狀和進展

隨著航空工業的發展對于所需原材料的要求越來越高，對于很多產品的規格尺寸有著嚴格的規定，航空材料的合格性需要得到保證就一定要從工裝模具上入手，只有保證了工裝模具加工的精確性，才能為產品制造提供保證，從而確保航空復合材料零件加工的可靠性。

1 航空復合材料件工裝模具發展現狀

航空事業屬于高科技行業，現代高科技技術的發展離不開復合材料，復合材料對現代科技的發展有著十分重要的作用，復合材料的應用廣度以及生產發展的速度和規模，已經成為了衡量一個國家科學技術水平的一個重要指標，復合材料工裝制造在航空制造中往往都是默默無聞不被人知曉的，但是與復合材料結構件的質量以及制造成本緊密相關的，復合材料工裝制造的理想狀態應該是高精度，便使用，抗高壓，無滲漏，工裝材料與零件材料的熱膨脹系數和成本低廉應該是最主要的理想狀態。為滿足航空是事業尖端科技的所用材料的需求，研制了很多以高性能前衛為增強材料的復合型材料，，其中最為廣泛使用的例如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維和碳化硅纖維等等，復合材料已經成為與鈦合金、鋁合金、合金鋼并駕齊驅的四大航空結構材料之一。為了滿足先進復合材構件內部質量的特定需求，在復合材料構件成型的過程中，需要加熱加壓和抽真空等外在工藝技術去實現，復合材料的成型特點就是材料成型和構件成型可以同時完成，這要求了復合材料構件的行位精度需要依靠模具工裝來進行保證。飛機制造技術對復合材料的需求越來越大，相對于傳統工藝材料，復合材料是將多種不同形態和性能的材料進行復合的手段而的出來的新型材料，復合材料具備著更多的優勢，碳纖維增強復合材料具有輕質高強、耐高溫，耐腐蝕、熱力學性能優良等特點，在飛機制造的整體結構上，可承擔飛機主要承重結構的艱巨任務。然而目前我國復合材料的發展還跟不上航空事業的發展需求，影響著我國航空事業的發展，為了盡快發展我國的航空事業，復合材料件工裝模具技術必須向著高性能、低成本、多功效的發展道路上發展，加工制造合理的復合材料并且讓它成為標準成型的工裝模具是我國目前發展復合材料件工裝模具技術的首要任務。

2 航空復合材料件工裝模具的發展進展

復合材料工裝模具具有多種成型工藝，無論是哪種成型工藝都需要施加外界壓力的壓實過程，施壓過程是排出構件中的空氣，壓實空隙，實現增強纖維的均勻分布的過程，構件的剛性模和依賴氣體或液體傳壓的彈性模具相互結合的方式是目前最為常見的方式，隨著工藝技術的不斷發展，以熱脹材料為芯模，剛性材料為陰模，構件放置于雙方之間的模具成型技術也深入到飛機部分零件的制造上。模具的成型還需要溫度和真空的配合，在現金復合材料構件的成型過程中，如果模具材料與復合材料的熱膨脹系數不匹配就會對構件的成型質量造成嚴重的影響。

隨著航空事業的不斷發展，復合材料結構的選用標準也越來越高，除了高質量和高強度的要求，也有著較低熱膨脹的系數要求，使得制作出來的材料能夠在邊和和靜載荷條件下也能夠保持良好的穩定性，熱膨脹系數作為復合材料重要的性能參數之一，會受到很多外界因素的影響，例如基體和碳纖維的性質、纖維的含量和排列方式，界面的性質和殘余應力等等各個方面，熱膨脹差異的主要原因是復合材料經不同的熱處理后平面殘余應力的大小不同，工藝技術的不同導致平面殘余應力大小不同，可以在退火和固溶時進行處理可以得到緩解，又或者在復合材料表面涂層上增加新的物質以降低熱膨脹系數，減低復合材料的熱膨脹系數是目前研究的重點課程之一。

模具的成型過程需要達到合適的成型溫度，不論是熱固性樹脂基復合材料固化，還是熱塑性樹脂基復合材料熔化，都需要經過加熱的成型過程，加熱均勻和加熱速度是影響復合材料結構件質量和成本的重要因素，自加熱以及熱管理作為提高復合材料工裝制造效率的方法受到了越來越多的青睞，一般模具加熱方式是通過加熱空氣或者惰性氣體為傳熱的載體，以流換熱和熱輻射加熱為主對模具進行加熱，又或者把熱電阻和循環水管直接埋入成型模具中，以熱傳導為主的加熱工藝，這樣可以達到復合材料的成型工裝模具升溫效率與構建溫度的要求。

降低先進復合材料結構的空隙率，需要提供合適的真空度工藝環境，在目前的提供真空的方式上大致有用膩子密封好的一次性使用真空袋連接真空貯氣罐，

貯氣罐與真空泵相連或者真空袋與真空泵直接相連；用可多次重復使用的真空袋連接真空貯氣罐，貯氣罐與真空泵相連或者真空袋與真空泵直接相連，這些技術大多運用于大型運輸機機翼下壁板。

現今的復合材料構件特別是大型復雜的構件成型模具應盡可能選用熱膨脹系數與復合材料相近的材料，例如如殷鋼、碳泡沫、碳氈等。殷鋼作為復合材料成型模具的材料具有熱膨脹系數低，耐溫性好，適合復合材料高溫成型，真空完整性方面的變現也較為優異，適合復合型材料真空封裝的成型，殷鋼熱傳導好，能夠提高復合材料熱歷程的成型效率，機械加工性能良好的優勢不需要大量額外技術的投入，但殷鋼材料成本相對來說比較高昂。碳泡沫是一種剛剛開發出來的新型復合材料成型模具材料，其特點包括與碳纖維復合材料同屬于碳材料，熱膨脹系數匹配的相當好，尺寸方面也有著良好的穩定性，它重量輕、耐高溫的特點適合大尺寸復合材料結構的成型，碳泡沫易于快速的成型，易于機械加工和膠結成型，成本相對也說也比較低，能夠滿足氣密性需要的特殊處理，在復合材料工裝模具的應用中有點自身獨特的優勢。碳氈與金屬材料相比，因重量更輕而易于搬運，并且下部基礎結構投資少，因升降溫速率更快而節省能源消耗和制造周期，易于機械加工和修理，可以更改模具尺寸而適于復合材料構件研制，與傳統復合材料相比，適于制造復雜形狀模具，易于改變模具表面尺寸；碳氈適合制造小批量復合材料構件的成型模具。

航空復合材料構件的幾何外形十分復雜，例如機翼翼面類的縱橫加筋壁板，機身類的M形加筋壁板和S形進氣道非開敞結構等等，這些復雜構件成型和脫模對模具材料和模具結構都有著特殊的要求，易變性型模具的加工技術讓這一問題迎刃而解，在一定的物理狀態下可以變換成不同的模具狀態是易變性型模具的主要特點，這類模具大多是由記憶成型工裝模具隨著溫度的變化而發生可逆軟化與硬化的可逆相和原始形狀的固定相構成，可逆相的作用是發生形變或固定性變，而固定相的作用是記憶及回復成型模具的原始形狀。 形狀記憶高分子模具是易變性模具的典型代表。

3 結語

復合材料工裝模具在航空領域的應用呈現出了多種應用的方式，為復合材料構件提供了多種的手段和方式，復合材料件工裝模具技術的發展為航空事業的發展提供了強而有力的后盾，滿足了航空制造上的各種工藝需求，由于我國相對于其他國家航空事業起步較晚的情況，在發展水平上還存在著一定的差距，復合材料的工裝模具技術運用還不夠成熟，這些方面需要大量的研發力度，為我國的航空事業保駕護航。

參考文獻

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